Modeling of the Traction Current Harmonics Distribution in Rails
Loading...
Date
2017
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Дніпро
Abstract
EN: Electrified railways are one of the most powerful wide frequency range sources of disturbances that interference on signaling and radio communication systems. This is especially true for new types of vehicles equipped with electronic static converters with pulse width modulation (PWM), from which high-frequency interferences in rails can have frequencies up to several tens of kHz. To ensure the electromagnetic compatibility (EMC) of new types of rolling stock with signaling and radio communication systems, they are subjected to an acceptance procedure that includes on EMC tests in accordance with European and national regulatory standards and norms. But under some unfavorable operation conditions for the trains that were successfully tested and are in operation with old vehicles on the same lines (sometimes with old feeding system), the disturbing current generated by vehicles may reach values greater than the allowed values. As such unfavorable operational conditions may be considered increasing number of trains, low distance between track circuit receiver and vehicles or supply substation, low rail-to-earth conductivity and conductivity of earth. To proof the electromagnetic compatibility (EMC) between rolling stock and signalling systems it is need accurate modeling of the test cases with taking into account particular operation conditions. The aim of the work is to establish mathematical and computer model for distribution of traction current harmonics in direct feeding traction network with multiple vehicles in feeder zone. This model is an evolution and simplification of models represented earlier. The work has been performed in order to proof the electromagnetic compatibility of new trains equipped with electronic static converters with existing traction lines and has been used during tests of new types of train. The model has been simplified as follows. The lines with equal or close to each other potentials are represented as a single line with equivalent electrical parameters. The disturbing vehicles are modeled as sinusoidal current sources with several set of frequencies that are represented by currents vector. Only return current harmonics with frequencies that lie in frequency range of track circuit receiver were considered. Depended of simulation aim the values of harmonics are taken as values measured during train tests or as the maximum interference values according to norms. The distribution of the traction return current harmonics was computed for AC direct feeding traction network 1x25 kV with two-side ESS and with 1 to 5 vehicles in feeder zone. The maxi-mum interference from trains is in the areas nearest to trains and also to the point of connection of return feeder to rails (at ESS terminals). The traction harmonic current in rails are increased with increasing of train number in feeder zone and with decreasing of the rail-to-earth conductivity. The interference at 25 Hz in the rails area near the ESS for one locomotive in feeder zone don’t exceed a limit value of 1 A even in unfavorable operation conditions for of the rail-to-earth conductivity equal 0.02 Sm/km. If number of trains are increased (from 1 to 5) the interference at 25 Hz also increased and it values at rail-to-earth conductivity equal 0.02 Sm/km reach to 1.073 A for two locomotives and to 1.233 A for five locomotives, that exceed the limit value of the interference in rails at 25 Hz.
UK: Електрифіковані залізниці є одним з найпотужніших широкосмугових джерел завад в системах сигналізації і радіозв'язку. Це особливо актуально для нових типів транспортних засобів, оснащених електронними статичними з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ), які можуть створювати високочастотні завади в рейках з частотою до декількох десятків кілогерц. Для забезпечення електромагнітної сумісності (ЕМС) нових типів рухомого складу з системами сигналізації і радіозв'язку їх піддають процедурі приймання, котра включає в себе випробування на ЕМС відповідно до європейських і національних нормативних стандартів і норм. Але при деяких несприятливих умовах експлуатації для поїздів, які були успішно випробувані і знаходяться в експлуатації разом зі старими транспортними засобами на тих же лініях (іноді зі старою системою електропостачання), струм завад, створюваний транспортними засобами, може досягати значень, що перевищують допустимі значення. В якості таких несприятливих умов експлуатації можна розглядати збільшення кількості поїздів, невелику відстань між приймачем рейкового кола і транспортними засобами або приймачем і підстанцією електропостачання, низьку провідність рейка-земля і провідність землі. Для доказу електромагнітної сумісності (ЕМС) між рухомим складом і системою сигналізації необхідно точне моделювання результатів випробувань з урахуванням конкретних умов експлуатації. Метою роботи є створення математичної та комп'ютерної моделі розподілення гармонік тягового струму в тяговій мережі при декількох транспортних засобах в фідерній зоні. Ця модель являє собою еволюцію і спрощення моделей, представлених раніше. Робота виконана з метою доказу електромагнітної сумісності нових поїздів, оснащених електронними статичними перетворювачами з існуючими лініями електропостачання і була використана при їх випробуваннях. Модель була спрощена в такий спосіб. Лінії з рівними або близькими один до одного потенціалами представлені як одна лінія з еквівалентними електричними параметрами. Завади транспортних засобів моделюються як джерела синусоїдального струму з наборами частот, які представлені на еквівалентній схемі вектором струмів. Розглядалися тільки гармоніки зворотного струму з частотами, які лежать в частотному діапазоні приймача рейкового кола. Залежно від цілей моделювання, значення гармонік взяті як значення, виміряні під час випробувань поїзда або як максимальні значення завад відповідно до норм. Розподіл гармонік тягового струму було розраховано для тягової мережі 1x25 кВ змінного струму з двостороннім електропостачанням і при знаходженні від 1 до 5 транспортних засобів у фідерної зоні. Максимальні завади від поїздів створюються на ділянках, найближчих до потягів, а також до точки підключення відсмоктуючого фідера тягової підстанції до рейок. Гармоніки тягового струму в рейках збільшуються зі збільшенням числа поїздів в фідерній зоні і зі зменшенням провідності рейка-земля. Інтерференція на частоті 25 Гц на ділянці поблизу тягової підстанції для одного локомотива в фідерної зоні не перевищує граничного значення 1 A навіть при несприятливих умовах при провідності рейка-земля 0,02 См/км. Однак, якщо кількість поїздів збільшується (від 1 до 5), інтерференція на частоті 25 Гц також збільшується при тій же електропровідності рейка-земля до 1,07 А для двох локомотивах і до 1,33 А для п'яти локомотивів у фідерної зоні, що перевищує граничне значення струму завад в рейках при 25 Гц.
RU: Электрифицированные железные дороги являются одним из самых мощных широкополосных источников помех в системах сигнализации и радиосвязи. Это особенно актуально для новых типов транспортных средств, оснащенных электронными статическими преобразователями с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), которые могут создавать высокочастотные помехи в рельсах с частотой до нескольких десятков килогерц. Для обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) новых типов подвижного состава с системами сигнализации и радиосвязи их подвергают процедуре приемки, которая включает в себя испытания на ЭМС в соответствии с европейскими и национальными нормативными стандартами и нормами. Но при некоторых неблагоприятных условиях эксплуатации для поездов, которые были успешно испытаны и находятся в эксплуатации со старыми транспортными средствами на тех же линиях (иногда со старой системой электроснабжения), ток помех, создаваемый транспортными средствами, может достигать значений, превышающих допустимые значения. В качестве таких неблагоприятных условий эксплуатации можно рассматривать увеличение количества поездов, небольшое расстояние между приемником рельсовой цепи и транспортными средствами или приемником и подстанцией электроснабжения, низкую проводимость рельс земля и проводимость земли. Для доказательства электромагнитной совместимости (ЭМС) между подвижным составом и системой сигнализации необходимо точное моделирование результатов испытаний с учетом конкретных условий эксплуатации. Целью работы является создание математической и компьютерной модели распределения гармоник тягового тока в тяговой тяги при нескольких транспортных средствах в фидерной зоне. Эта модель представляет собой эволюцию и упрощение моделей, представленных ранее. Работа выполнена с целью доказательства электромагнитной совместимости новых поездов, оснащенных электронными статическими преобразователями с существующими линиями электроснабжения и была использована при их испытаниях. Модель была упрощена следующим образом. Линии с равными или близкими друг к другу потенциалами представлены как одна линия с эквивалентными электрическими параметрами. Помехи транспортных средств моделируются как источники синусоидального тока с наборами частот, которые представлены на эквивалентной схеме вектором токов. Рассматривались только гармоники обратного тока с частотами, которые лежат в частотном диапазоне приемника рельсовой цепи. В зависимости от целей моделирования, значения гармоник взяты как значения, измеренные во время испытаний, поезда или как максимальные значения помех в соответствии с нормами. Распределение гармоник тягового тока было рассчитано тяговой сети 1x25 кВ переменного тока с двухсторонним электроснабжением и при нахождении от 1 до 5 транспортных средств в фидерной зоне. Максимальные помехи от поездов создаются на участках, ближайших к поездам, а также к точке подключения отсасывающего фидера тяговой подстанции к рельсам. Гармоники тягового тока в рельсах увеличиваются с увеличением числа поездов в зоне подачи и с уменьшением проводимости рельс-земля. Интерференция на частоте 25 Гц в области рельсов вблизи тяговой подстанции для одного локомотива в фидерной зоне не превышает предельного значения 1 A даже при неблагоприятных условиях для проводимости рельс-земля 0,02 См/км. Однако если количество поездов увеличивается (от 1 до 5), интерференция на частоте 25 Гц также увеличивается при той же электропроводности рельс-земля до 1,07 А для двух локомотивов и до 1,33 А для пяти локомотивов в фидерной зоне, что превышает предельное значение тока помех в рельсах при 25 Гц.
UK: Електрифіковані залізниці є одним з найпотужніших широкосмугових джерел завад в системах сигналізації і радіозв'язку. Це особливо актуально для нових типів транспортних засобів, оснащених електронними статичними з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ), які можуть створювати високочастотні завади в рейках з частотою до декількох десятків кілогерц. Для забезпечення електромагнітної сумісності (ЕМС) нових типів рухомого складу з системами сигналізації і радіозв'язку їх піддають процедурі приймання, котра включає в себе випробування на ЕМС відповідно до європейських і національних нормативних стандартів і норм. Але при деяких несприятливих умовах експлуатації для поїздів, які були успішно випробувані і знаходяться в експлуатації разом зі старими транспортними засобами на тих же лініях (іноді зі старою системою електропостачання), струм завад, створюваний транспортними засобами, може досягати значень, що перевищують допустимі значення. В якості таких несприятливих умов експлуатації можна розглядати збільшення кількості поїздів, невелику відстань між приймачем рейкового кола і транспортними засобами або приймачем і підстанцією електропостачання, низьку провідність рейка-земля і провідність землі. Для доказу електромагнітної сумісності (ЕМС) між рухомим складом і системою сигналізації необхідно точне моделювання результатів випробувань з урахуванням конкретних умов експлуатації. Метою роботи є створення математичної та комп'ютерної моделі розподілення гармонік тягового струму в тяговій мережі при декількох транспортних засобах в фідерній зоні. Ця модель являє собою еволюцію і спрощення моделей, представлених раніше. Робота виконана з метою доказу електромагнітної сумісності нових поїздів, оснащених електронними статичними перетворювачами з існуючими лініями електропостачання і була використана при їх випробуваннях. Модель була спрощена в такий спосіб. Лінії з рівними або близькими один до одного потенціалами представлені як одна лінія з еквівалентними електричними параметрами. Завади транспортних засобів моделюються як джерела синусоїдального струму з наборами частот, які представлені на еквівалентній схемі вектором струмів. Розглядалися тільки гармоніки зворотного струму з частотами, які лежать в частотному діапазоні приймача рейкового кола. Залежно від цілей моделювання, значення гармонік взяті як значення, виміряні під час випробувань поїзда або як максимальні значення завад відповідно до норм. Розподіл гармонік тягового струму було розраховано для тягової мережі 1x25 кВ змінного струму з двостороннім електропостачанням і при знаходженні від 1 до 5 транспортних засобів у фідерної зоні. Максимальні завади від поїздів створюються на ділянках, найближчих до потягів, а також до точки підключення відсмоктуючого фідера тягової підстанції до рейок. Гармоніки тягового струму в рейках збільшуються зі збільшенням числа поїздів в фідерній зоні і зі зменшенням провідності рейка-земля. Інтерференція на частоті 25 Гц на ділянці поблизу тягової підстанції для одного локомотива в фідерної зоні не перевищує граничного значення 1 A навіть при несприятливих умовах при провідності рейка-земля 0,02 См/км. Однак, якщо кількість поїздів збільшується (від 1 до 5), інтерференція на частоті 25 Гц також збільшується при тій же електропровідності рейка-земля до 1,07 А для двох локомотивах і до 1,33 А для п'яти локомотивів у фідерної зоні, що перевищує граничне значення струму завад в рейках при 25 Гц.
RU: Электрифицированные железные дороги являются одним из самых мощных широкополосных источников помех в системах сигнализации и радиосвязи. Это особенно актуально для новых типов транспортных средств, оснащенных электронными статическими преобразователями с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), которые могут создавать высокочастотные помехи в рельсах с частотой до нескольких десятков килогерц. Для обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) новых типов подвижного состава с системами сигнализации и радиосвязи их подвергают процедуре приемки, которая включает в себя испытания на ЭМС в соответствии с европейскими и национальными нормативными стандартами и нормами. Но при некоторых неблагоприятных условиях эксплуатации для поездов, которые были успешно испытаны и находятся в эксплуатации со старыми транспортными средствами на тех же линиях (иногда со старой системой электроснабжения), ток помех, создаваемый транспортными средствами, может достигать значений, превышающих допустимые значения. В качестве таких неблагоприятных условий эксплуатации можно рассматривать увеличение количества поездов, небольшое расстояние между приемником рельсовой цепи и транспортными средствами или приемником и подстанцией электроснабжения, низкую проводимость рельс земля и проводимость земли. Для доказательства электромагнитной совместимости (ЭМС) между подвижным составом и системой сигнализации необходимо точное моделирование результатов испытаний с учетом конкретных условий эксплуатации. Целью работы является создание математической и компьютерной модели распределения гармоник тягового тока в тяговой тяги при нескольких транспортных средствах в фидерной зоне. Эта модель представляет собой эволюцию и упрощение моделей, представленных ранее. Работа выполнена с целью доказательства электромагнитной совместимости новых поездов, оснащенных электронными статическими преобразователями с существующими линиями электроснабжения и была использована при их испытаниях. Модель была упрощена следующим образом. Линии с равными или близкими друг к другу потенциалами представлены как одна линия с эквивалентными электрическими параметрами. Помехи транспортных средств моделируются как источники синусоидального тока с наборами частот, которые представлены на эквивалентной схеме вектором токов. Рассматривались только гармоники обратного тока с частотами, которые лежат в частотном диапазоне приемника рельсовой цепи. В зависимости от целей моделирования, значения гармоник взяты как значения, измеренные во время испытаний, поезда или как максимальные значения помех в соответствии с нормами. Распределение гармоник тягового тока было рассчитано тяговой сети 1x25 кВ переменного тока с двухсторонним электроснабжением и при нахождении от 1 до 5 транспортных средств в фидерной зоне. Максимальные помехи от поездов создаются на участках, ближайших к поездам, а также к точке подключения отсасывающего фидера тяговой подстанции к рельсам. Гармоники тягового тока в рельсах увеличиваются с увеличением числа поездов в зоне подачи и с уменьшением проводимости рельс-земля. Интерференция на частоте 25 Гц в области рельсов вблизи тяговой подстанции для одного локомотива в фидерной зоне не превышает предельного значения 1 A даже при неблагоприятных условиях для проводимости рельс-земля 0,02 См/км. Однако если количество поездов увеличивается (от 1 до 5), интерференция на частоте 25 Гц также увеличивается при той же электропроводности рельс-земля до 1,07 А для двух локомотивов и до 1,33 А для пяти локомотивов в фидерной зоне, что превышает предельное значение тока помех в рельсах при 25 Гц.
Description
V. Havryliuk: ORCID 0000-0001-9954-4478
Keywords
electromagnetic compatibility, mathematical and computer model for distribution of traction current harmonics, traction network, feeder zone, new types of rolling stock, електромагнітна сумісність, математична та комп’ютерна модель розподілення гармонік тягового струму, тягова мережа, фідерна зона, рухомий склад нових типів, электромагнитная совместимость, математическая и компьютерная модель распределения гармоник тягового тока, тяговая сеть, фидерная зона, подвижной состав новых типов, КАТЗ
Citation
Havryliuk, V. I. Modeling of the traction current harmonics distribution in rails / V. I. Havryliuk // Електромагнітна сумісність та безпека на залізничному транспорті. – 2017. – № 13. – С. 20–27. – DOI: 10.15802/ecsrt2017/136812.